本发明涉及造纸技术领域，特别涉及一种打浆装置、系统及打浆方法。
背景技术：
目前，制浆造纸过程的打浆方法很多，包括低浓打浆(浓度为2-6％)、中浓打浆(浓度为8-20％)和高浓打浆(20-35％)。常用打浆机有槽式打浆机和pfi磨(立式打浆机)，槽式打浆机属于低浓打浆，通常打浆时间为90分钟的时候，打浆度可以达到88°sr左右；pfi磨为中浓打浆，当打浆时间为12分钟后，打浆度可以达到69°sr，随着时间推移，打浆度也达不到90°sr以上。另外，低浓打浆的设备还有圆柱形磨浆机、锥形磨浆机和盘磨机。而中高浓打浆设备主要有：中高浓盘磨机和圆柱高浓打浆机。打浆设备的功用是使纸浆经打浆处理后，纤维具有良好的柔软性和可塑性以及细纤维化。最普遍使用的打浆方法是利用金属齿牙之水力碾压作用。
现有的打浆装置无法实现在短时间内使打浆度达到90°sr以上。另外，现有的打浆装置在制浆造纸过程中无法保留原纤维的形态，纤维在制备过程中从径向(直径)和轴向(长度)两个维度不可控地变小，即无法保留轴向长度的同时细化纤维，尤其无法获得长径比较高且独立的微纳米纤维素材料。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种打浆装置，该装置在短时间内可以使打浆度达到90°sr以上，并且获得高长径比的微纳米纤维。
本发明的另一个目的在于提供了一种打浆系统，能够实现打浆过程的连续性和产业化。
本发明的另一个目的在于提供了一种打浆方法，该方法能够获得高长径比的微纳米纤维。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种打浆装置，包括电机、电机支架、旋转轴、筒体、筒体支架以及刀片；所述电机固定在电机支架上，所述电机的输出轴通过联轴器与旋转轴连接；所述旋转轴上设有多组刀片，并伸入筒体内；所述筒体安装在筒体支架上，筒体内壁面上设有多根档条，筒体上端设有浆液出口，下端设有浆液进口。
进一步地，所述刀片上设有多个破涡流小口。可以使浆液从破涡流小口流出，使旋涡缩小，使上端的刀片不会在旋涡中空转，而能够更好地实现纤维的剥离和挑丝。
进一步地，所述筒体的顶部通过螺栓连接有传动端轴承座，传动端轴承座顶部通过螺栓连接有传动端轴承盖；所述传动端轴承座、传动端轴承盖的中部都设有通孔；在通孔内从上自下依次安装有第一轴承套、第一轴承以及第二轴承套。传动端轴承座、第一轴承套以及第二轴承套对旋转轴的上端进行定位。
进一步地，所述筒体的底部通过螺栓从上自下依次连接有非传动端轴承座、非传动端轴承压盖；所述非传动端轴承座内设有通孔，通孔内安装有第二轴承；所述第二轴承的顶部设有第三轴承套。第三轴承套、非传动端轴承座以及非传动端轴承压盖对旋转轴的下端进行定位。
进一步地，所述电机的转速为8000转/分以上，旋转轴的扭矩达到1.0n·m以上。
进一步地，所述刀片水平安装，刀刃和刀尖都在水平面上，所述刀尖与档条之间距离为5mm至10mm。刀尖与档条之间形成狭窄流道，刀片高速旋转时，天然纤维悬浮液在狭窄流道中形成高速剪切流，此时刀尖对天然纤维从轴向(即长度方向)或者与轴向有一定倾角，切入、挑丝进行细化，即得到微纳米纤维素。
进一步地，所述刀尖和刀刃的厚度在0.1mm至0.3mm之间，多组刀片之间间隔40mm以上的距离。刀片的厚度太大，起不到挑丝的作用，厚度太小，刀片的强度不够。
进一步地，所述筒体外面设有夹套，夹套内可通循环冷却水。夹套可以降低噪音，并避免高速打浆过程产生的较大热量。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种打浆系统，包括离心泵以及多个打浆装置；多个打浆装置采用串联或并联方式连接；串联或并联后的前端打浆装置的浆液进口通过管道与离心泵的输出端连接，后端打浆装置的浆液出口通过管道与稳流罐连接，稳流罐的出口通过管道与离心泵的输入端连接。如果浆液合适，就从稳流罐进行排放，如果不能达到要求，就进入到离心泵的输入端，进行新一轮的循环。打浆系统可以实现连续打浆和工业化生产。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种打浆方法，包括如下步骤：
对天然植物纤维进行润胀处理，配制成天然纤维悬浮液；
将天然纤维悬浮液倒入打浆装置的筒体内；
开启电机使旋转轴高速旋转，使天然纤维悬浮液在刀尖与档条所形成的狭窄流道中形成高速剪切流；
刀尖对天然纤维从轴向或者与轴向有一定倾角，进行切入、挑丝和细化，完成打浆过程。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明的打浆装置完全不同于传统的打浆理念，即没有金属的齿牙和磨盘的齿纹，也没有利用金属齿牙之水力碾压作用，而是采用刀片高速旋转时，天然纤维悬浮液在狭窄流道中形成高速剪切流，此时刀尖对天然纤维从轴向(即长度方向)或者与轴向有一定倾角，进行切入、挑丝和细化，即得到微纳米纤维素。在很短的时间内，就可以使打浆度达到98°sr。
2.本发明的打浆系统利用泵的输运和打浆装置的串并联方式，实现了打浆过程的连续性和产业化。
3.本发明的打浆装置在叶片上设有破涡流小口，可以有效缩小旋涡，避免刀片在旋涡中进行空转，提高纤维剥离和挑丝效率。
附图说明
图1是本发明实施例中打浆装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中打浆原理示意图；
图3是本发明实施例中刀片上未设有破涡小口时，筒体内涡流形成示意图；
图4是本发明实施例中多组刀片上设有破涡小口时，筒体内涡流形成示意图；
图5是本发明实施例中打浆系统的示意图；
图6是本发明实施例中阔叶木纤维的扫描电镜图；
图7是本发明实施例中细化的微纳米纤维素(原纤维)的扫描电镜图；
图8是本发明实施例中细化的微纳米纤维素(带有纤维丝的分叉纤维)的扫描电镜图；
图9是本发明实施例中细化的微纳米纤维素(独立的纤维丝)的扫描电镜图；
图10是本发明实施例中细化的微纳米纤维素直径的分布图；
图11是本发明实施例中细化的微纳米纤维素长度的分布图。
其中：1：电机，2：电机支架，3：联轴器，4：传动端轴承盖，5：第一轴承套，6：第一轴承，7：传动端轴承座，8：第二轴承套，9：旋转轴，10：筒体，11：第三轴承套，12：非传动端轴承座，13：非传动端轴承盖，14：筒体支架，15：刀片，16：浆液出口，17：浆液进口，18：档条，19：刀尖与档条之间的狭窄流道，20：纤维，21：速度矢量，22：旋涡，23：离心泵，24：打浆装置，25：第二轴承，26：破涡流小口，27：稳流罐。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种打浆装置包括电机1、电机支架2、旋转轴9、筒体10、筒体支架14以及刀片15。电机固定在电机支架上，电机的输出轴通过联轴器3与旋转轴连接。电机为能够高速连续稳定运转、转速达到8000转/分以上的高速电机。电机带动旋转轴转动，旋转轴的扭矩达到1.0n·m以上。
筒体采用壁厚为2.5mm以上的不锈钢板制造，为了避免高转速过程产生较大的热量，也为了降低噪音，筒体壁外面设有夹套，夹套中有循环冷却水。筒体直径为100mm-300mm，高度在1.5m以下。筒体的顶部通过螺栓连接有传动端轴承座7，传动端轴承座7顶部通过螺栓连接有传动端轴承盖4；传动端轴承座、传动端轴承盖的中部都设有通孔；在通孔内从上自下依次安装有第一轴承套5、第一轴承6以及第二轴承套8。旋转轴的上端通过第一轴承套、传动端轴承座以及第二轴承套进行定位。筒体的底部通过螺栓从上自下依次连接有非传动端轴承座12、非传动端轴承压盖13；非传动端轴承座内设有通孔，通孔内安装有第二轴承25；第二轴承的顶部设有第三轴承套11。旋转轴的下端通过第三轴承套、非传动端轴承座以及非传动端轴承压盖进行定位。
旋转轴9上设有两组或多组刀片，并伸入筒体内。刀片是水平安装的，其刀刃和刀尖都在水平面上。刀片的材料为高速钢、硬质合金等刀具材料，刀尖和刀刃的厚度为0.1mm～0.3mm之间，多组刀片之间分隔40mm以上的距离进行排列。刀片的厚度太大，起不到挑丝的作用，厚度太小，刀片的强度不够。筒体安装在筒体支架上，筒体内壁面上设有2至8根档条18(图1中未画出，见图3、4)，档条与筒体内壁面平行，档条与刀尖之间的距离为5mm-10mm，刀尖与档条之间形成狭窄流道19(见图3、4)。刀片高速旋转时，天然纤维悬浮液在狭窄流道中形成高速剪切流，此时刀尖对天然纤维从轴向(即长度方向)或者与轴向有一定倾角，进行切入、挑丝和细化，即得到微纳米纤维素。为了方便多个打浆装置进行连接，筒体上端设有浆液出口16，下端设有浆液进口17。
如图2、3所示，本发明打浆装置的工作原理如下：纤维是由多重原纤组成，按其尺度大小和堆砌顺序包括基原纤、微原纤、原纤、大原纤和纤维。刀片高速旋转过程中，锋利刀片尖端与筒体内的档条之间构成狭窄流道，造成整体流场处于剧烈湍动中。纤维进入狭窄流道中，由于刀片是水平安装的，其刀刃和刀尖都在水平面上。档条和刀尖之间的空间进一步限制了纤维的运动，因此纤维很少呈现水平状态，大部分是斜的和竖直状状态，这给刀片从轴向或者与轴向有一定倾角切入形成了很好的前提条件(如图3所示)。刀片与纤维的瞬间碰撞可以击破纤维细胞壁的p层和s1层，多频率的瞬间碰撞使纤维的s2层不断重复细化过程，刀片有时会从纤维的顶部，有时会从纤维的底部，有时会从纤维的中部切入，从而使原纤从纤维进行部分分离，经过一层层的剥离，聚集态从大原纤(直径微米级)逐渐过渡到原纤(直径几百纳米)，直到微原纤(直径几十纳米)，最终达到纤维细化的目的。使用本发明的打浆装置，能够在短时间内使打浆度达到98°sr，表1是几种打浆装置打浆时间的对比表。
表1不同打浆装置打浆时间对比表
如图4所示，当只有底部一组刀片的时候，由于电机的高速转动，筒体中心会产生比较大的漩涡，速度矢量21反映了浆液的流动情况，当将刀片加到两组或更多组，并且在刀片的叶片中心设置破涡流小口26以后，部分浆液将从叶片中心孔流出，使漩涡22缩小，可使向上布置的下一组刀片进行剥离和挑丝，而不会让向上布置的刀片出现在漩涡中进行空转。这样一组带破涡流小口的刀片在高速转动的过程中，可对纤维20实现连续的一层层的剥离和挑丝。
可使用本发明的打浆装置构建打浆系统，实现打浆的连续性和工业化。打浆系统包括离心泵23、稳流罐27以及多个打浆装置24。如图5所示，本实施例中采用六个打浆装置分为两组并联，每组三个打浆装置串联。每组前端打浆装置的浆液进口通过管道与离心泵的输出端连接，每组后端打浆装置的浆液出口通过管道与稳流罐27连接，稳流罐的出口通过管道与离心泵的输入端连接。如果浆液满足要求，即可排放，如果不能满足要求，就返回到离心泵23的输入端，进行下一轮的循环。打浆装置筒体内的浆液在离心泵的输送下一边进行高剪切运动，一边进行连续流动，浆液在筒体的停留时间按照离心泵的压头和流量来确定。通过电机控制旋转轴的转速，利用不同转速和浆液在筒体中的停留时间，实现不同的打浆度。本实施例中，离心泵的流量为是50m3/hr，压头是20m。纸浆大约在每台打浆设备停留5秒钟左右。如果浆液出口纸浆的打浆度不合适，可以返回到离心泵进行处理。
使用本发明的打浆装置实现打浆的方法，包括如下步骤：
1、对天然植物纤维进行润胀处理，配制成天然纤维悬浮液，天然纤维悬浮液的浓度为0.01～3wt.％。润胀处理可以采用热水浸泡的方法，热水浸泡的条件为在40～90℃下浸泡2～12小时。
2、将天然纤维悬浮液倒入打浆装置的筒体内；开启电机使旋转轴高速旋转，使天然纤维悬浮液在刀尖与档条所形成的狭窄流道中形成高速剪切流；
3、刀尖对天然纤维从轴向或者与轴向有一定倾角，进行切入、挑丝和细化，完成打浆过程。
本实施例中提供了一种阔叶木纤维，纤维长度为500um～1.3mm，宽度为15um～40um。将阔叶木纸浆(纤维扫描电镜图如图6所示)在50℃的热水中浸泡8小时，然后配置成浓度为1wt.％的纤维悬浮液，倒入本发明的打浆装置中；开启电机使其高速旋转，刀尖的转速在10000rpm，对纤维悬浮液进行25分钟的打浆处理，从而得到细化的微纳米纤维素。其中原纤维的电镜扫描图如图7所示，带有纤维丝的分叉纤维的电镜扫描图如图8所示，独立的纤维丝的电镜扫描图如图9所示。图10对细化的微纳米纤维素的直径分布进行了统计，可以看出细化纤维素的长度为150um～1.1mm。图11对细化的微纳米纤维素的长度分布进行了统计，直径为20nm～950nm。从而可以说明，采用本发明打浆装置进行打浆，可以有效获得高长径比的微纳米纤维。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种打浆装置，其特征在于，包括电机、电机支架、旋转轴、筒体、筒体支架以及刀片；所述电机固定在电机支架上，所述电机的输出轴通过联轴器与旋转轴连接；所述旋转轴上设有多组刀片，并伸入筒体内；所述筒体安装在筒体支架上，筒体内壁面上设有多根档条，筒体上端设有浆液出口，下端设有浆液进口。
2.根据权利要求1所述的一种打浆装置，其特征在于，所述刀片上设有多个破涡流小口。
3.根据权利要求1或2所述的一种打浆装置，其特征在于，所述筒体的顶部通过螺栓连接有传动端轴承座，传动端轴承座顶部通过螺栓连接有传动端轴承盖；所述传动端轴承座、传动端轴承盖的中部都设有通孔；在通孔内从上自下依次安装有第一轴承套、第一轴承以及第二轴承套。
4.根据权利要求1或2所述的一种打浆装置，其特征在于，所述筒体的底部通过螺栓从上自下依次连接有非传动端轴承座、非传动端轴承压盖；所述非传动端轴承座内设有通孔，通孔内安装有第二轴承；所述第二轴承的顶部设有第三轴承套。
5.根据权利要求1所述的一种打浆装置，其特征在于，所述电机的转速为8000转/分以上，旋转轴的扭矩达到1.0n·m以上。
6.根据权利要求1所述的一种打浆装置，其特征在于，所述刀片水平安装，刀刃和刀尖都在水平面上，所述刀尖与档条之间距离为5mm至10mm。
7.根据权利要求6所述的一种打浆装置，其特征在于，所述刀尖和刀刃的厚度在0.1mm至0.3mm之间，多组刀片之间间隔40mm以上的距离。
8.根据权利要求1所述的一种打浆装置，所述筒体外面设有夹套，夹套内可通循环冷却水。
9.一种包含权利要求1至8任一项打浆装置的打浆系统，其特征在于，包括离心泵以及多个打浆装置；多个打浆装置采用串联或并联方式连接；串联或并联后的前端打浆装置的浆液进口通过管道与离心泵的输出端连接，后端打浆装置的浆液出口通过管道连接到稳流罐，稳流罐的出口通过管道与离心泵的输入端连接。
10.一种采用权利要求1至8任一项打浆装置实现打浆的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对天然植物纤维进行润胀处理，配制成天然纤维悬浮液；
将天然纤维悬浮液倒入打浆装置的筒体内；
开启电机使旋转轴高速旋转，使天然纤维悬浮液在刀尖与档条所形成的狭窄流道中形成高速剪切流；
刀尖对天然纤维从轴向或者与轴向有一定倾角切入挑丝进行细化，完成打浆过程。
技术总结